JP3543097B2

JP3543097B2 - Tactile presentation method and device using electrical stimulation

Info

Publication number: JP3543097B2
Application number: JP2001540447A
Authority: JP
Inventors: ▲すすむ▼ 舘; 太郎前田; 直樹川上; 裕之梶本
Original assignee: 株式会社先端科学技術インキュベーションセンター
Priority date: 1999-11-24
Filing date: 2000-11-20
Publication date: 2004-07-14
Anticipated expiration: 2020-11-20
Also published as: WO2001038958A1; AU1417301A

Description

技術分野
本発明は、触覚呈示方法及び装置に係り、詳しくは、皮膚表面からの電気刺激によって受容器に繋がった神経軸索を発火させる触覚呈示方法及び装置に関するものである。本明細書において、「発火」とは、神経軸索上の刺激部位の電位が急激に上昇し、さらにその電位上昇現象が軸索を伝搬する現象を意味するものとする。
背景技術
人間の感覚は一般に特殊感覚と体性感覚とに分けられる。特殊感覚とは、視覚と眼球、聴覚と耳というように対応した感覚器がある感覚を指す。一方体性感覚とは大きく分けると皮膚に由来する皮膚感覚と、内部の筋や腱に由来する固有受容感覚とに分けられ、この体性感覚が広い意味での触覚を意味する。また、狭い意味では触覚は、温、冷、痛等の感覚を含む皮膚感覚の中の接触覚や圧覚を意味する。
接触覚や圧覚などは皮膚の中にあるメルケル細胞、マイスナー小体、パチニ小体等の感覚受容器に対応しており、皮膚がへこんだり引っ張られたりした場合にその変形や振動が受容器に伝わり感覚が生じる。また、皮膚感覚においては、感覚点に対応する種々の感覚受容器があり、受容器には基本的に変位と速度と加速度を見るものがあり、それによって触れた物の細かいパターン等を認識している。
ここで、仮に、何かを触る、あるいは擦るときに生じる皮膚感覚をVR空間内で呈示できれば、より現実世界に近付いた実在感を得られるとともにより高度な作業が可能となる。このような触覚を再現する方法には、機械的に行う手法あるいは電気的に行う手法がある。機械式のものには、振動子で振動を起こし、振動の周波数やインパルス成分の頻度を変更させるもの、電気式のものには、皮膚電極を介して電気パルスを呈示して、振動感覚に似た感覚を伝えるようなものがある。機械式と電気式との大きな違いは、機械式が各受容器を直接刺激するものであるのに対して、電気式は受容器に繋がった神経軸索を刺激するものであるという点にある。
そして、過去の多くの皮膚感覚ディスプレイはアレイ状に並べたピン構造か、またはベルト状かのどちらかに分類できる。これらは可動部を持つため構造が大型となるという欠点があり、研究の主体は小型化に絞られている。しかも現在のところ原理的に、皮膚感覚のごく一部しか呈示できていない。
これに対して、外部からの電流によって神経活動が誘発されることを利用する電気触覚ディスプレイの研究も行われている。皮膚には電極を取り付けるだけで良いため小型化は容易となった。しかしながら、ほとんどの研究が電流と皮膚下の神経活動の関係を定式化せずにシステムを組んでいるためアドホックなものに終わっていた。
本発明は、皮膚下に存在する数種類の受容器を選択的に刺激することで、よりきめの細かい触覚呈示を提供することを課題とするものである。
発明の開示
本発明は、かかる課題を解決するために創案されたものであって、人間の皮膚下には数種類の機械受容器が存在することに着目し、これらを皮膚表面の電極から選択的に刺激することを特徴とするものである。具体的には二つの手法を提案する。一つは、これまでの電気刺激が陰極電流を刺激として用いていたのに対し陽極電流を使うことで神経軸索の方向に選択的な刺激を行う手法である。もう一つは、電流をアレイ状とし、各電極に流す電流の重み付け変化で刺激深度を変化させる手法である。また、陽極電流を用いた電気刺激によって記号呈示を行なう。
図面の簡単な説明
図１は、人の無毛部の皮膚構造を示す図であり、RAはマイスナ小体、SAIはメルケル細胞、PCはパチニ小体を示している；
図２は、指先における、各種小体の深さとそれに接続される軸索の直径を示す表である；
図３は、皮膚表面からの電気刺激を説明する断面図と等価回路図である；
図４は、皮膚表面からの電流刺激を説明する図であり、二次元、単一電極の場合を示している；
図５は、水平方向に延びた軸索の刺激関数を示す図であり、単一電極からの陰極電流の場合を示している；
図６は、１次元アレイ電極を示す図である；
図７は、陰極電流による刺激を示す図であり、水平に延びた軸索の刺激関数が正の値をとるのに対して、垂直に延びた軸索の刺激関数は負の値をとる；
図８は、陽極刺激を示す図であり、刺激関数が正負逆転し、このものでは、皮膚垂直方向の軸索のみ刺激される；
図９は、単一電極による、メルケル細胞とパチニ小体の神経軸索の刺激を示す図である；
図10は、アレイ電極による、メルケル細胞の神経軸索の刺激を示す図である；
図11は、アレイ電極による、パチニ小体の神経軸索の刺激を示す図である；
図12は、実施の形態に係るシステム構成図である；
図13は、入力パルス波形を示す図である；
図14は、感覚の移動現象を説明する図であり、被験者はつねに電極から１〜3mmほど指先方向にずれた場所に振動覚を感じることを示しており；
図15は、SAIモードにおける対象物体の弾性を示す図であり、指を動かさないときナイフエッジのように感じていたものが、微小に動かした途端軟らかい弾性体の棒を触っているように感じる；
図16は、各電気刺激モードにおける刺激点と感覚生起点のずれを示す図であり、左は陰極（SAI）モード、右は陽極（RA）モードである。
発明を実施するための好ましい形態
まず、皮膚感覚生成のメカニズムについて説明する。皮膚には４種類の機械受容器が存在する。マイスナー小体（RA）、メルケル細胞（SAI)、ルフィニ終末（SAII)、パチニ小体（PC）である。ルフィニ終末（SAII）は密度が低いので、以下RA、SAI、PCを中心に話を進める。
図１は無毛部の皮膚の構造であり、一般にRAとPCは高速の変化、ないし振動を感知し、SAIは圧力を感知すると考えられている。そして、全体の構造に関しては、▲１▼各種小体は種類によって決まった深さに存在する、▲２▼各種小体に接続される神経軸索は種類によって決まった太さを持つ、という特徴が知られている。図２は各種小体の深さとそれに接続される軸索の直径である。この深さは体の部分によって異なるが、ここに挙げた数値は指先のものである。
指先の皮膚の特徴は角質の厚さにあり、指先では600μｍであるのに対して体の他の部分では15μｍ程度である。RAは Dermalpapillae先端に存在し、表面からの深さは700μｍ程度である。SAIの深さはglandular ridgeの高さから計算して900μｍ程度とされる。PCは真皮と皮下組織部の間に存在し、2mmから3mmの深さである。
機械受容器に接続される神経軸索はＡβ型とされ、これは指に存在する求心性神経としてはもっとも太い。RAの直径が他の二つの軸索の直径の半分程度であることに留意する必要がある。皮膚には他にも求心性軸索は各種存在する（痛覚、温覚等）が、全て機械受容器の軸索に比べて1/10程度の直径しか持たない。このことにより、電気刺激の閾値は機械受容器のほうが他の神経よりはるかに低くなり、安定して（例えば痛みを伴うことなく）刺激を行うことができる。
電気刺激で重要なのは軸索の方向と深さである。皮膚下に存在する神経軸索の経路を定量的に詳細に調べた研究はなく、したがって、いくらかの推量が必要となる。発生の研究から、RAの軸索はdermal領域から垂直に延びていることが判っている。これに対してSAIの軸索の延び方ははっきりしていない。幾つかのスケッチは軸索が真皮（dermalregion）を水平に走っている様を描いている。このことからSAIの軸索は皮膚表面に対して水平であると仮定する。PCの軸索は多くの研究で皮膚水平に走っていることが判っている。したがって、SAI、RA、PCに接続された軸索を別々に刺激することで各刺激の組み合わせによりあらゆる皮膚感覚を生成できる。本明細書では、各刺激を、RAモード、SAIモード、PCモードと呼ぶことにする。
個々の刺激手法について述べる前に、電気刺激の原理について説明する。図３は神経軸索をモデル化したもので、ｘ軸を軸索の方向にとる。軸索の細胞膜はキャパシタンスCmとコンダクタンスGmを持つ。軸索内部のコンダクタンスをＧとおく。膜を隔てた外部電位と内部電位をそれぞれΨ（x,t)、Ｖ（x,t）とし、電位差Ｖ−ΨをVm（x,t）とする。ここから、入力として時間的インパルス入力を仮定すると、式（１）が求められる。

式（１）の右辺を刺激関数（AF）と呼ぶことにする。これはインパルス入力時の膜間電位差の最大値を予測する物差しであり、よって神経が発火するかどうか判定するための判断基準として用いることができる。もし、神経軸索が軸索上のどこでも発火可能とすれば、電気刺激でその神経の発火しやすさを判定するためには軸索上に沿った刺激関数の最大値を評価すればよい。
刺激関数について、もう少し具体的に説明する。λ^２／τ＝G/Cmであり、Ｇ、Cmはそれぞれ軸索単位長当たりのコンダクタンスと膜間キャパシタンスであり、以下のことがわかる。無髄神経の場合は、神経がｎ倍太くなったときＧはｎ^２、Cmはｎ倍となり、したがってｎ倍刺激しやすくなる。有髄神経の場合には、解剖学的的知見として、Ranvier間隙の幅は神経の太さによらないが、間隙同士の間隔は神経の太さに比例する。このことに注意して計算すると、神経がｎ倍太くなったときＧはｎ²、Cmは変化せず、したがってｎ²倍刺激しやすくなる。また、同じ大きさの無髄神経と有髄神経を比べた場合、Cmは無髄神経の方が10¹〜10³倍大きい。したがって、無髄神経は10¹〜10³のオーダーで有髄神経より電気刺激しにくい。ここにおいて、機械受容器の軸索は最も太く、かつ有髄であり、最も刺激しやすい。
刺激関数において、uxx（ｘ）は軸索に沿った電位の空間２回微分である。電位は皮膚表面からの電流によって発生する。このため刺激関数は皮膚表面の電流源密度によって表さなければならない。まず二次元、単一電極の場合を考える（図４)。電流をＩとする。この電流は陰極電流である（吸い出し)。簡単のため均一の無限空間とする。ｘ軸を皮膚表面方向にとり、ｙ軸を皮膚深さ方向にとる。電極を原点にとる。（x,y）における電流密度ｉは、ｉ（x,y）＝I/2πＲ（但し、Ｒ＝√ｘ²＋ｙ²は電極からの距離である)。Ψ（x,y）＝−ρＩlog（Ｒ）/2π（ρは単位体積当たりの抵抗、無限遠電位を０と仮定）となる。
ここで刺激関数を計算すると、もし軸索がｘ軸方向に延びていれば、

となる。
式（２）をプロットすると図５のようになる。図５からは以下のことが判る。まず、刺激関数はｘ＝０で最大値をとる。これは電極直下でもっとも刺激されやすいことを意味する。AF_x=0 ∝ 1/y^２より、これは軸索深さｙの二乗に比例して減衰する。すなわち浅い部分ほど刺激されやすい。また、図５は水平に延びた軸索に対する陰極性電流に対する結果を示している。もし陽極性となれば図は正負反転し、刺激関数は負の値を持つ。このことが、従来電気刺激実験が陰極性電流を用いている理由である。
また、一般に電流源が皮膚上に分布している場合には、

となり、
櫛形電極を使う場合には離散的になり（図６)、

となる。但し、Iiはｉ番目の電極からの電流である。Ｍは電極の個数、xiはｉ番目の電極の座標を表す。
皮膚構造および電気刺激の原理について述べたところで、本発明の主要部である各受容器を種類ごとに個別に刺激する手法、すなわちRA、SAI、PCに接続された軸索を個別に刺激するRAモード、SAIモード、PCモードについて説明する。
［RAモード］
RA軸索のみ刺激するRAモードについて述べる。RA軸索が皮膚表面に垂直に延びていることを利用する。刺激関数は軸索に沿った電位の２回微分である。したがって、図７においてｘ方向に延びた軸索の刺激関数はｄ²V/dx²であるのに対して、ｙ方向に延びた軸索の刺激関数はｄ²V/dy²である。ガウスの法則により電荷の湧き出しの無い空間では、ｄ²V/dx²＝ｄ²V/dy²であり、すなわち、ｄ²V/dy²＝−ｄ²V/dx²となる。すなわち通常の陰極電流による刺激では皮膚水平方向に延びている軸索は刺激できるが、マイスナー小体の軸索ように皮膚深さ方向に延びている軸索は刺激できない。刺激関数が負の値をとってしまうためである。ここで陽極電流を用いる。すると電位分布が反転し、そのため刺激関数も反転する（図８)。すなわち、マイスナー小体の軸索のみ刺激され、他の水平方向に延びた軸索は発火を押えられる。
［SAIモード］
SAIの軸索のみ刺激するSAIモードについて述べる。SAIは圧覚を司ると考えられており、このモードは圧覚呈示刺激となることが期待される。ここで、RA軸索は最も浅く、皮膚垂直方向に延びているという特徴があった。RA軸索も真皮下層部（deep dermal region）に達すると水平方向に走るようになるが、RA軸索の直径はSAIやPCの軸索の半分程度であるため刺激関数は1/4となり、刺激しにくい。したがって、水平方向に延びたSAIとPCの軸索のみを考える。
図９は、単一の陰極電流によってできるSAIとPCの刺激関数である。SAIのほうが浅部に存在するためにSAIの刺激関数のほうが大きくなっている。したがって、SAIのみの刺激は比較的容易である。さらにアレイ電極を用いると、SAIの刺激関数を保ちながら、PCの刺激関数を抑制することができる。
単一の電極を陰極として使う場合に比べ、その周りの電極を陽極として加えてやると刺激関数の深さ方向の減衰が早くなるので、安定してSAIだけを刺激することができる（図10)。すなわち、ここで言う重み付け変化とは、単一の陰電極の周りに陽電極を配設して、刺激関数の深さ方向の減衰を早めることを意味している。ここで注意すべき点は、一点の提示のために３つ以上の電極を用いているという点である（過去の電気触覚ディスプレイは高々陰極とその周りの不関電極しか用いていない。)。あくまで、所望の深さに所望の刺激関数を作るために使用している。
［PCモード］
次に、PCの刺激について説明する。これはSAI小体よりも深いところにあり、さらにSAIとPCの軸索の直径は略等しいので、PCだけを刺激することはできない。なぜなら、PCの刺激関数の最大値は常にSAIの刺激関数の最大値より小さいからである。これは以下のようにして示すことができる。

ここでAFは皮膚に対して水平な軸索の刺激関数を表す。最後の等式はガウスの法則から得られる。この結果は、刺激関数が調和関数であることを表している。調和関数ではその最大値、最小値を境界線上でとり、この場合、SAIの刺激関数の最大値はPCの刺激関数の最大値より必ず大きい。
しかし、なるべくPCをSAIと同じくらいに刺激することはできる。これはSAIモードの場合とは逆で、中心陰極電極の周りのアレイにも陰極電流を流してやり、電極サイズをバーチャルに大きくしてやることによって行う。すると重なり合った刺激関数はSAIの深さでは強め合わないのにPCの深さでは（そもそも刺激関数が広がっているため）強め合う（図11)。こうして刺激関数の減衰を遅くしてやり、理想的にはSAIと同等の刺激関数を与えることができる。すなわち、ここで言う重み付け変化とは、陰極電極の周りにさらに陰電極を配設して、刺激関数の深さ方向の減衰を遅くすることを意味している。
PCを発火させようとしたときSAIも発火してしまうというのは問題であるように見える。しかしながら、PCが振動覚、SAIが圧覚を担当していて、現実の場面ではPCが発火する多くの状況ではSAIも発火していることが過去の知見から判っていることに鑑みれば（少なくとも数100ヘルツの振動まで）それほど問題とはならないと考えられる。
尚、ルフィニ終末の軸索については垂直方向に延びているものと考えられる。またその神経軸索はマイスナー小体の軸索の倍程ある。したがって、陽極電流による刺激で、かつアレイ電極を用いて刺激関数が深部まで届くようにすれば、単独で発火させることが可能であると考えられる。
［システム構成］
本発明を具現するシステムの構成について図12に基づいて説明する。１チャネル高速パルス信号（1MHz）と８チャネル低速重み付け信号をアナログ乗算し、完全に同期させた８チャネル刺激信号を得る。これをＶ−Ｉコンバータで電流に変換し、被験者に通電する。被験者は指を電極アレイに載せ、接地された指輪をはめる。
アレイは８本の等間隔線状電極から構成される。間隔は1mmで電極一つのサイズは0.5mmX10mmである。
安全のため以下のような制限を設ける。まず一つの電極から流れる電流は2mAに制限する。次にアレイの重み付けの和を０とし、電流が指先に限定して流れるようにする。最後に一つの電極からの電流の時間平均が０になるようにし、皮膚への電荷の蓄積を防ぐ。
図13は高速パルスの波形である。陰極性電極に見えるが、乗算する重み付け信号を負にとれば陽極性刺激となる。パルス幅は現在のところ200μｓに固定している。
実際に最適なアレイの重み付けパターンを求めるには、最適化問題を解く必要がある。以下にその方法を述べる。神経がその軸索上で刺激関数が最大値をとる場所で発火することを利用する。制限は、重み付けの合計は０である（電流を指先に閉じ込めるため）ことと、電極間隔は固定であるということである。最適化問題は以下のように定式化される。
RAモードについては、式（３）が最適化問題となり、これを数値的に解くことでアレイの重み付けを得る。

式（３）の分子、分母はそれぞれPC、SAI、RAに対する刺激関数の、軸索に沿った最大値である。式（３）はRAの刺激関数を保存しつつ、PC、SAIの刺激関数を押えようとしている。これによってRAのみ発火する重み付けが得られる。
SAIモードに対しては、式（４）が最適化問題となり、これを数値的に解くことでアレイの重み付けを得る。

PCモードに対しては、式（５）が最適化問題となり、これを数値的に解くことでアレイの重み付けを得る。

すなわち、軸索の方向を選択するということと、軸索の深さを選択するという二つの現象を、刺激関数（軸索の方向をも考慮した）によって統一的に記述できる。前述した各モードの原理からすると、それぞれの重み付けの傾向は、RAでは中心電極が陽極で刺激関数は減衰しやすい方が望ましく、SAIでは中心電極が陰極で刺激関数は減衰しやすい方が望ましく、そしてPCでは中心電極が陰極で刺激関数は減衰しにくい方が望ましい。これについて、上記最適化問題に基づいて数値計算しても同様の結果が得られる。アレイ間隔が1mmでアレイが７個の場合には、RA用[0.2,0.2,0.1,-1.0,0.1,0.2,0.2]、SAI用[0.5,-0.5,-0.5,1.0,-0.5,-0.5,0.5]、PC用[-1.5,0.0,1.0,1.0,1.0,0.0,-1.5]となる。ここで、元のパルスが陰極電流であるから、重みが正のときは陰極電流、負のときは陽極電流となる。重み付けの和が０になるという制約条件のため、PC用でも端に陽極がある。SAIとRAの場合はごく浅い範囲の刺激を実現するために中心電極の周りは反対符合の電極で囲まれている。
【実験１】
［PCモードにおける感覚の移動現象］
PCモードにおいて、電流を０から徐々に上げて行った。パルスの周波数は100Hzから800Hzとした。このとき被験者は振動を感じた。被験者の振動感覚と入力パルスの周波数の間の関係については現時点では詳細には調べていないが、振動感覚の生成する場所が中心電極の真下ではなく、つねに1mmから3mmほど指先方向にずれていることが分かった（図14)。このことは、電流が機械受容器そのものではなくそれに接続された軸索を刺激していることの明白な証拠となる。
【実験２】
［SAIモードにおける物体の硬さの感知］
SAIモードで安定して圧覚を感じているとき、指は電極の形で押し付けられているように感じる。電極は線であるから、この感覚はナイフエッジを押し付けられた場合に近い。このとき押し付けられる指の圧力を微小に変化させる（接触面積が変わらない程度に)。するとナイフエッジの感覚であったものが突然軟らかい弾性体の棒に変化した（図15)。被験者によってはその部分が「へこんだ」と表現した。
これは次のように説明される。本来SAIは圧力に応じて発火頻度が変化する。圧力が高ければ発火頻度は増す。もし「硬い」ものをさわっていたのなら、指を押したとき圧力の増加に伴って発火頻度は増すはずである。しかしこの場合、指を押しても電流の周波数は変えていないため発火頻度は変化していない。これを脳は「押したとき反力が帰って来ない」、すなわち「軟らかい」と判断したと考えられる。尚、この現象からは次の２点が示唆される。第一に皮膚感覚も軟らかさを感じるということである。第二にある硬さを呈示するためには指圧をパルス周波数にフィードバックすることが必要となるということである。
【実験３】
［RAモードの振動覚］
RAモードにおいて被験者は安定して振動を感じた。パルス周波数が100Hz以下のとき、生成した感覚はスピーカのコーンを触っている場合に近かった。200Hzを超えると何とも形容しがたい感覚となった。これは次のように説明される。実験ではRA軸索を刺激していた。RAは低周波振動（20から70Hz）に反応する受容器として知られている。そしてこのレンジでは、機械振動周波数がそのまま神経の発火周波数となる。よって我々の場合、被験者は電気パルスで与えた信号と同じ周波数の振動を感じたと考えられる。しかしRAのみの200Hz以上の振動は実際にはあり得ない（200Hz以上の振動はPCの方がはるかに発火しやすくなる）ため、これを被験者は不自然と感じたと思われる。
前述したように、SAIの軸索が皮膚水平方向に延びていると仮定した。もしSAIが垂直方向に延びていれば、RAモードによる縦神経刺激で圧覚も感じたはずであるが、実際には常に安定して振動覚を感じた。このことからSAIが基本的に横であるという仮定は棄却されていない。強い振動覚によって圧覚がマスクされたとも考えられるが、実用上はそれで問題ないと考えられる。
［記号呈示デバイス］
本発明に係る触覚呈示は、記号呈示としても応用できる。具体的には、本発明を全盲者への点字呈示デバイスとして利用することが挙げられる。
記号呈示に要求される最大の要件は狭い受容野、すなわち解像度である。過去の電気刺激を用いた記号呈示の研究では、電極の存在位置と皮膚感覚の生起点がずれる。あるいはぼやけてしまうという現象が観察された。我々の研究によると、この「ぼけ」の原因は、電気刺激によって直接刺激されるのが神経軸索であるのに対して、脳によって解釈される刺激部位は軸索先端の機械受容器であるために、感覚生起点の「ずれ」が生じ、このずれの多方向の累積が感覚の「ぼけ」を生んだと考えられる（図16左図)。
ずれ効果を減らす第一の方法は皮膚浅部を刺激することである。浅部の軸索ほど神経末端、すなわち受容器に近いと考えられるためである。このため従来の電気刺激による記号呈示は多くが同心円電極を採用し、電流の流れる領域を限定することで解像度の向上をはかっている。しかしこれでも、ずれを完全に無くすことはできない。軸索の先端付近で最も発火しやすい部位は、先端に最も近いRanvier Nodeであることがシミュレーションからわかった。このために発火部位は最低でも先端から髄鞘一つ分（約0.5mm）ずれる。これが累積することを考えると、受容野を直径1mm以下に押さえることは原理的に不可能である。
ここで注意すべきことは、このずれ効果が、水平方向に走る軸索に対して最大値を取るということである。逆に垂直方向に走る軸索を刺激するのであれば、やはり軸索発火部位と機械受容器の存在位置はずれるものの、皮膚鉛直方向のずれを感知する手段が無いため実質上ずれを生じないはずである（図16右図)。
したがって、電気刺激によって記号呈示を行なうには、浅部の、縦方向に延びた軸索を刺激すれば最も受容野を限定できると考えられる。これは、前記陽極刺激（RA Mode）に対応する。
RA Modeの場合に生起する感覚が振動覚であることがわかっている。振動感覚は気付き易さと安全性を兼ね揃えており、記号呈示としての役割を考えると他の皮膚感覚に比べて有利である。実際に全盲者二人に対し、陽極刺激（RA Mode)、陰極刺激（SAI Mode）を行なったところ、陽極刺激が「針のように」鋭い感覚を生起するのに対して陰極刺激では、「感覚が広がっていく」というコメントを得た。
産業上の利用可能性
本発明によれば、皮膚感覚神経を選択的に刺激することにより、知覚可能なあらゆる皮膚感覚を呈示することができ、電気触覚ディスプレイとして利用することができる。また、本発明に係る刺激手法を記号呈示デバイスに応用することで、例えば、点字呈示デバイスとしての利用が可能である。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a tactile presentation method and apparatus, and more particularly, to a tactile presentation method and apparatus for firing a nerve axon connected to a receptor by electrical stimulation from the skin surface. In the present specification, the term "ignition" means a phenomenon in which the potential of a stimulation site on a nerve axon rapidly rises, and the phenomenon of the potential rise propagates through the axon.
BACKGROUND ART Human sensation is generally divided into special sensation and somatic sensation. The special sensation refers to a sensation that has a corresponding sensory organ such as vision and eyes, and hearing and ears. On the other hand, somatic sensations can be broadly divided into skin sensations derived from the skin and proprioceptive sensations derived from internal muscles and tendons, and this somatic sensation means tactile sensation in a broad sense. In a narrow sense, the tactile sense means a contact sensation or a pressure sensation in skin sensations including sensations such as warmth, cold, and pain.
Tactile sensation and pressure sensation correspond to sensory receptors such as Merkel cells, Meissner bodies, and Patini bodies in the skin, and when the skin is dented or pulled, its deformation or vibration is applied to the receptors. A sense of communication occurs. Also, in the skin sensation, there are various sensory receptors corresponding to sensory points, and some receptors basically observe displacement, speed and acceleration, and recognize fine patterns etc. of the touched object. ing.
Here, if the skin sensation that occurs when touching or rubbing something can be presented in the VR space, it is possible to obtain a sense of reality closer to the real world and to perform more advanced work. As a method of reproducing such tactile sensation, there is a method of performing mechanically or a method of performing electrical control. The mechanical type changes the frequency of the vibration and the frequency of the impulse components by vibrating the vibrator, and the electric type displays electric pulses through the skin electrode to resemble the vibration sensation. There is something that conveys a sense of sensation. The major difference between mechanical and electrical is that mechanical stimulates each receptor directly, whereas electrical stimulates nerve axons connected to the receptors. .
And, many past skin sensation displays can be classified into either a pin structure arranged in an array or a belt shape. These have the drawback of having a large structure because they have movable parts, and the main research focuses on miniaturization. Moreover, at present, only a small part of the skin sensation can be presented in principle.
On the other hand, research on an electro-tactile display utilizing the fact that nerve activity is induced by an external current has been conducted. Since it is only necessary to attach electrodes to the skin, miniaturization was facilitated. However, most studies have been ad-hoc because systems have been formulated without formulating the relationship between current and neural activity under the skin.
It is an object of the present invention to provide finer tactile presentation by selectively stimulating several types of receptors existing under the skin.
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve such a problem, and focuses on the existence of several types of mechanoreceptors under human skin, and selectively treats these from electrodes on the skin surface. It is characterized by stimulating. Specifically, we propose two methods. One is a method of selectively stimulating in the direction of a nerve axon by using an anodic current while using a cathodic current as a stimulus in the conventional electric stimulation. The other is a method in which the current is arrayed and the stimulation depth is changed by changing the weight of the current flowing through each electrode. In addition, a symbol is presented by electrical stimulation using an anodic current.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 shows the skin structure of a hairless part of a human, where RA indicates Meisna body, SAI indicates Merkel cell, and PC indicates Patini body;
Figure 2 is a table showing the depth of various bodies and the diameter of axons connected to them at the fingertip;
FIG. 3 is a cross-sectional view and an equivalent circuit diagram illustrating electrical stimulation from the skin surface;
Figure 4 is a diagram illustrating current stimulation from the skin surface, showing a two-dimensional, single electrode case;
FIG. 5 shows the stimulation function of a horizontally extending axon, showing the case of cathodic current from a single electrode;
Figure 6 shows a one-dimensional array electrode;
FIG. 7 shows the stimulation by cathodic current, where the stimulation function of a horizontally extending axon takes a positive value, while the stimulation function of a vertically extending axon takes a negative value;
FIG. 8 shows anodic stimulation, in which the stimulus function is reversed, in which only axons in the vertical direction of the skin are stimulated;
Figure 9 shows stimulation of Merkel cells and nerve axons of Patini bodies by a single electrode;
FIG. 10 shows stimulation of nerve axons of Merkel cells by array electrodes;
FIG. 11 shows stimulation of nerve axons of Patini bodies by array electrodes;
FIG. 12 is a system configuration diagram according to the embodiment;
FIG. 13 is a diagram showing an input pulse waveform;
FIG. 14 is a diagram for explaining a sense movement phenomenon, and shows that the subject always feels a sense of vibration at a position shifted from the electrode by about 1 to 3 mm in the fingertip direction;
Fig. 15 is a diagram showing the elasticity of the target object in the SAI mode, as if it felt like a knife edge when not moving the finger, it touched the soft elastic rod as soon as it was moved slightly. feel;
FIG. 16 is a diagram showing a shift between a stimulating point and a sensation generating point in each electric stimulation mode. The left is a cathode (SAI) mode, and the right is an anode (RA) mode.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION First, the mechanism of skin sensation generation will be described. There are four types of mechanoreceptors in the skin. Meissner bodies (RA), Merkel cells (SAI), Ruffini terminals (SAII), and Patini bodies (PC). Since the end of Rufini (SAII) is low in density, we will focus on RA, SAI, and PC below.
FIG. 1 shows the structure of the hairless skin. In general, RA and PC sense rapid changes or vibrations, and SAI senses pressure. As for the overall structure, (1) various bodies exist at a depth determined by the type, and (2) nerve axons connected to the various bodies have a thickness determined by the type. It has been known. Figure 2 shows the depth of various bodies and the diameter of the axons connected to them. This depth varies from body to body, but the numbers given here are at your fingertips.
The characteristic of the skin at the fingertips is the thickness of the keratin, which is 600 μm at the fingertips, whereas it is about 15 μm at other parts of the body. RA exists at the tip of Dermalpapillae, and the depth from the surface is about 700 μm. The depth of the SAI is about 900 μm calculated from the height of the granular ridge. The PC is located between the dermis and the subcutaneous tissue and is 2 to 3 mm deep.
The nerve axon connected to the mechanoreceptor is of Aβ type, which is the thickest afferent nerve present in the finger. It should be noted that the diameter of RA is about half the diameter of the other two axons. There are various other afferent axons in the skin (pain sensation, thermal sensation, etc.), but all have only about 1/10 the diameter of mechanoreceptor axons. As a result, the threshold value of the electrical stimulation is much lower in the mechanoreceptor than in other nerves, and the stimulation can be performed stably (for example, without pain).
The key to electrical stimulation is the direction and depth of axons. No studies have scrutinized the details of the pathways of nerve axons beneath the skin and therefore require some inference. Developmental studies indicate that RA axons extend vertically from the dermal area. In contrast, it is unclear how SAI's axons extend. Some sketches depict axons running horizontally across the dermal region. This assumes that the SAI axons are horizontal to the skin surface. Many studies have shown that PC axons run horizontally on the skin. Therefore, by separately stimulating axons connected to the SAI, RA, and PC, all skin sensations can be generated by a combination of each stimulus. In the present specification, each stimulus is referred to as an RA mode, a SAI mode, and a PC mode.
Before describing individual stimulation techniques, the principle of electrical stimulation will be described. FIG. 3 shows a model of a nerve axon, with the x-axis taken in the direction of the axon. The cell membrane of the axon has a capacitance Cm and a conductance Gm. Let G be the conductance inside the axon. The external potential and the internal potential across the film are denoted by Ψ (x, t) and V (x, t), respectively, and the potential difference V−Ψ is denoted by Vm (x, t). From this, assuming a temporal impulse input as input, equation (1) is obtained.

The right side of equation (1) will be referred to as a stimulation function (AF). This is a rule for estimating the maximum value of the transmembrane potential difference at the time of the impulse input, and thus can be used as a criterion for determining whether or not a nerve is firing. If the nerve axon can be fired anywhere on the axon, the maximum value of the stimulation function along the axon may be evaluated to determine the ease of firing of the nerve by electrical stimulation.
The stimulus function will be described more specifically. λ ² / τ = G / Cm, where G and Cm are the conductance and the transmembrane capacitance per axon unit length, respectively. In the case of an unmyelinated nerve, when the nerve becomes n times thicker, G becomes n ² and Cm becomes n times, and therefore, it becomes easier to stimulate by n times. In the case of myelinated nerves, as an anatomical finding, the width of the Ranvier gap does not depend on the thickness of the nerve, but the gap between the gaps is proportional to the thickness of the nerve. When calculated with this in mind, G becomes n ² and Cm do not change when the nerve becomes n times thicker, so that it becomes n ² times easier to stimulate. When comparing unmyelinated nerves and myelinated nerves of the same size, the Cm of unmyelinated nerves is 10 ¹ to 10 ³ times larger. Therefore, unmyelinated nerves are less electrically stimulated than myelinated nerves on the order of 10 ¹ to 10 ³ . Here, the axons of the mechanoreceptor are the thickest and myelinated, and are the most irritating.
In the stimulus function, uxx (x) is the spatial second derivative of the potential along the axon. Electric potential is generated by current from the skin surface. For this reason, the stimulus function must be represented by the current source density on the skin surface. First, consider the case of a two-dimensional, single electrode (FIG. 4). Let the current be I. This current is the cathode current (suck). For simplicity, it is assumed to be a uniform infinite space. The x axis is taken in the direction of the skin surface, and the y axis is taken in the skin depth direction. Take the electrode as the origin. The current density i at (x, y) is i (x, y) = I / 2πR (where R = √x ² + y ² is the distance from the electrode). Ψ (x, y) = − ρIlog (R) / 2π (where ρ is the resistance per unit volume and the potential at infinity is assumed to be 0).
If we calculate the stimulus function here, if the axon extends in the x-axis direction,

It becomes.
When the equation (2) is plotted, it becomes as shown in FIG. The following can be seen from FIG. First, the stimulus function takes the maximum value at x = 0. This means that stimulation is most likely under the electrode. From AF _{x = 0} ∝ 1 / y ² , this attenuates in proportion to the square of the axon depth y. That is, the shallower the part, the more likely it is to be stimulated. FIG. 5 also shows the results for cathodic current for horizontally extending axons. If it becomes anodic, the figure is inverted and the stimulus function has a negative value. This is the reason why the electrostimulation experiment conventionally uses a cathodic current.
Also, in general, when the current source is distributed on the skin,

Becomes
When comb electrodes are used, they become discrete (Fig. 6),

It becomes. Where Ii is the current from the i-th electrode. M represents the number of electrodes, and xi represents the coordinates of the i-th electrode.
Having described the skin structure and the principle of electrical stimulation, a method of individually stimulating each receptor, which is the main part of the present invention, for each type, that is, RA, SAI, RA that individually stimulates axons connected to PC The mode, the SAI mode, and the PC mode will be described.
[RA mode]
The RA mode that stimulates only RA axons is described. It takes advantage of the fact that RA axons extend perpendicular to the skin surface. The stimulus function is the second derivative of the potential along the axon. Therefore, in FIG. 7, the stimulation function of the axon extending in the x direction is d ² V / dx ² , whereas the stimulation function of the axon extending in the y direction is d ² V / dy ² . According to Gauss' law, in a space in which no charge flows, d ² V / dx ² = d ² V / dy ² , that is, d ² V / dy ² = −d ² V / dx ² . That is, with the normal stimulation by the cathodic current, an axon extending in the skin horizontal direction can be stimulated, but an axon extending in the skin depth direction like the axon of the Meissner body cannot be stimulated. This is because the stimulus function takes a negative value. Here, the anode current is used. Then, the potential distribution is inverted, and the stimulus function is also inverted (FIG. 8). That is, only the axons of the Meissner body are stimulated, and other horizontally extending axons are suppressed from firing.
[SAI mode]
The SAI mode that stimulates only the axons of SAI is described. SAI is thought to control pressure sensation, and this mode is expected to be a pressure stimulus stimulus. Here, the RA axon was the shallowest, and was characterized by extending in the vertical direction of the skin. RA axons also run horizontally when they reach the deep dermal region, but the diameter of RA axons is about half that of SAI or PC axons, so the stimulus function is 1/4. Hard to stimulate. Therefore, we consider only the horizontally extending SAI and PC axons.
FIG. 9 shows the SAI and PC stimulation functions produced by a single cathodic current. The stimulus function of SAI is larger because SAI exists in the shallower part. Therefore, stimulation with SAI alone is relatively easy. Further, when the array electrode is used, the stimulating function of the PC can be suppressed while maintaining the stimulating function of the SAI.
Compared to the case where a single electrode is used as the cathode, adding the surrounding electrodes as the anode accelerates the decay of the stimulation function in the depth direction, so that only SAI can be stimulated stably (Fig. 10 ). That is, the weight change here means that a positive electrode is arranged around a single negative electrode to accelerate the attenuation of the stimulation function in the depth direction. It should be noted that more than two electrodes are used to present a single point (past electro-tactile displays use at most a cathode and an indifferent electrode around it). It is only used to create the desired stimulus function at the desired depth.
[PC mode]
Next, the stimulation of the PC will be described. Because it is deeper than the SAI body, and because the diameters of the axons of SAI and PC are approximately equal, it is not possible to stimulate only PC. This is because the maximum value of the stimulus function of the PC is always smaller than the maximum value of the stimulus function of the SAI. This can be shown as follows.

Here, AF represents the stimulation function of the axon horizontal to the skin. The last equation is obtained from Gauss' law. This result indicates that the stimulus function is a harmonic function. In the harmonic function, the maximum value and the minimum value are taken on the boundary line. In this case, the maximum value of the SAI stimulus function is always larger than the maximum value of the PC stimulus function.
But you can stimulate your PC as much as you can with SAI. This is the reverse of the SAI mode, in which the cathode current is also applied to the array around the central cathode electrode, and the electrode size is virtually increased. Then, the overlapping stimulus functions do not strengthen at the depth of SAI, but strengthen at the depth of PC (because the stimulus function spreads in the first place) (Fig. 11). In this way, the decay of the stimulus function is slowed down, and ideally a stimulus function equivalent to SAI can be given. That is, the weight change here means that a negative electrode is further arranged around the cathode electrode to slow down the stimulus function in the depth direction.
It seems to be a problem that the SAI also fires when trying to fire the PC. However, considering that the PC is in charge of vibration and the SAI is in charge of pressure, and in many situations where the PC ignites in actual situations, it is known from past knowledge that the SAI also ignites (at least several It is not expected to be that much of a problem (up to 100 Hz vibration).
It is considered that the axon at the end of Ruffini extends vertically. The nerve axon is about twice as large as the Meissner body axon. Therefore, it is considered that it is possible to fire independently by stimulating with the anodic current and using the array electrode to make the stimulating function reach deep.
[System configuration]
A configuration of a system embodying the present invention will be described with reference to FIG. The one-channel high-speed pulse signal (1 MHz) and the eight-channel low-speed weighting signal are analog-multiplied to obtain a completely synchronized eight-channel stimulation signal. This is converted into a current by a VI converter, and the subject is energized. The subject places his finger on the electrode array and wears a grounded ring.
The array is composed of eight equally spaced linear electrodes. The interval is 1 mm and the size of one electrode is 0.5 mm × 10 mm.
The following restrictions are set for safety. First, the current flowing from one electrode is limited to 2 mA. Next, the sum of the weights of the array is set to 0 so that the current flows only at the fingertip. Finally, the time average of the current from one electrode is set to zero to prevent accumulation of electric charge on the skin.
FIG. 13 shows the waveform of the high-speed pulse. Although it looks like a cathodic electrode, if the weighting signal to be multiplied is negative, it becomes an anodal stimulus. The pulse width is currently fixed at 200 μs.
In order to actually find the optimal array weighting pattern, it is necessary to solve an optimization problem. The method is described below. It takes advantage of the fact that the nerve fires on its axon where the stimulus function takes its maximum. The limitations are that the sum of the weights is 0 (to confine the current to the fingertip) and that the electrode spacing is fixed. The optimization problem is formulated as follows.
For the RA mode, equation (3) becomes an optimization problem, and solving this numerically yields the weight of the array.

The numerator and denominator of Equation (3) are the maximum values along the axon of the stimulation function for PC, SAI, and RA, respectively. Equation (3) attempts to suppress the stimulus functions of PC and SAI while preserving the stimulus functions of RA. This gives a weight that fires only RA.
For the SAI mode, equation (4) is an optimization problem, which is solved numerically to obtain array weights.

For the PC mode, equation (5) is an optimization problem, which is solved numerically to obtain array weights.

That is, the two phenomena of selecting the direction of the axon and selecting the depth of the axon can be described in a unified manner by the stimulation function (which also takes into account the direction of the axon). According to the principle of each mode described above, the tendency of each weighting is as follows: in RA, it is desirable that the center electrode is the anode and the stimulus function is easily attenuated, and in SAI, it is desirable that the center electrode is the cathode and the stimulus function is easily attenuated, In a PC, it is desirable that the center electrode is a cathode and the stimulation function is hardly attenuated. In this regard, similar results can be obtained by performing a numerical calculation based on the above optimization problem. If the array spacing is 1mm and there are 7 arrays, [0.2,0.2,0.1, -1.0,0.1,0.2,0.2] for RA and [0.5, -0.5, -0.5,1.0, -0.5,-for SAI 0.5,0.5] and [-1.5,0.0,1.0,1.0,1.0,0.0, -1.5] for PC. Here, since the original pulse is a cathode current, when the weight is positive, the current is the cathode current, and when the weight is negative, the current is the anode current. Due to the constraint that the sum of the weights becomes 0, there is an anode at the end even for PC. In the case of SAI and RA, the central electrode is surrounded by electrodes of opposite sign to achieve stimulation in a very shallow range.
[Experiment 1]
[Transfer of sensation in PC mode]
In the PC mode, the current was gradually increased from zero. The frequency of the pulse was from 100 Hz to 800 Hz. At this time, the subject felt vibration. The relationship between the subject's vibration sensation and the frequency of the input pulse has not been investigated in detail at this time, but the place where the vibration sensation is generated is not directly under the center electrode, but always shifts from 1 mm to 3 mm in the direction of the fingertip (Fig. 14). This provides clear evidence that the current is stimulating the axons connected to the mechanoreceptors, rather than the mechanoreceptors themselves.
[Experiment 2]
[Sensitivity of objects in SAI mode]
When you are stably feeling pressure in the SAI mode, your finger feels like it is being pressed in the form of an electrode. Since the electrodes are wires, this sensation is closer to pressing a knife edge. At this time, the pressure of the finger pressed is slightly changed (to the extent that the contact area does not change). Then, what was a knife-edge sensation suddenly changed to a soft elastic rod (Fig. 15). Some subjects described that part as "indented."
This is explained as follows. Originally, the firing frequency of SAI changes according to the pressure. The higher the pressure, the higher the firing frequency. If you were touching a "hard" object, the frequency of firing should increase with increasing pressure when you press your finger. However, in this case, even if the finger is pressed, the frequency of the current does not change, so that the firing frequency does not change. It is probable that the brain judged that "the reaction force did not return when pressed", that is, "soft". This phenomenon suggests the following two points. First, the skin sensation also feels soft. Second, in order to exhibit a certain hardness, it is necessary to feed back the finger pressure to the pulse frequency.
[Experiment 3]
[Vibration sense in RA mode]
In RA mode, the subject felt vibration stably. When the pulse frequency was below 100Hz, the generated sensation was close to touching the speaker cone. Beyond 200Hz, it was hard to describe. This is explained as follows. The experiment stimulated RA axons. RA is known as a receptor that responds to low frequency vibrations (20 to 70 Hz). In this range, the mechanical vibration frequency becomes the firing frequency of the nerve as it is. Therefore, in our case, it is considered that the subject felt vibration having the same frequency as the signal given by the electric pulse. However, it is unlikely that the RA alone would vibrate above 200Hz in practice (vibrations above 200Hz would be much more likely to ignite on a PC), so the subject felt unnatural.
As described above, it was assumed that the axons of the SAI extended in the horizontal direction of the skin. If the SAI extends in the vertical direction, pressure sensation should have been felt by the longitudinal nerve stimulation in RA mode. This does not reject the assumption that SAIs are essentially horizontal. It is considered that the pressure sense was masked by the strong vibration sense, but it is considered that there is no problem in practical use.
[Symbol presentation device]
The tactile presentation according to the present invention can also be applied as symbol presentation. Specifically, the present invention is used as a device for presenting Braille to a blind person.
The largest requirement for symbol presentation is a narrow receptive field, or resolution. In past studies of symbol presentation using electrical stimulation, the location of the electrode and the origin of the skin sensation were shifted. Alternatively, a phenomenon of blurring was observed. According to our research, the cause of this "blurring" is that nerve stimulation is directly stimulated by electrical stimulation, whereas the site of stimulation interpreted by the brain is the axon tip mechanoreceptor Therefore, it is considered that the “deviation” of the sensation generation origin has occurred, and the accumulation of this deviation in multiple directions has produced “blurring” of the sensation (FIG. 16 left diagram).
The first way to reduce the shear effect is to stimulate the shallow skin. This is because it is considered that a shallow axon is closer to a nerve terminal, that is, a receptor. For this reason, in the conventional symbol presentation by electrical stimulation, concentric electrodes are often used, and the resolution is improved by limiting the current flowing region. However, even with this, the deviation cannot be completely eliminated. Simulations show that the most prone to fire near the axon tip is the Ranvier Node closest to the tip. For this reason, the firing site is shifted at least by one myelin sheath (about 0.5 mm) from the tip. Given that this accumulates, it is in principle impossible to keep the receptive field below 1 mm in diameter.
It should be noted that this shift effect has a maximum value for axons running in the horizontal direction. Conversely, if stimulating axons that run in the vertical direction, the location of the axon firing site and the mechanoreceptor will also deviate, but there should be virtually no displacement because there is no means to detect vertical displacement of the skin. (Figure 16 right).
Therefore, it is considered that the receptive field can be most limited by stimulating a shallow, vertically extending axon to present a symbol by electrical stimulation. This corresponds to the anodic stimulation (RA Mode).
It has been found that the sensation that occurs in the case of RA Mode is vibration sense. The vibration sensation has both ease of recognition and safety, and is advantageous over other skin sensations in view of its role as a symbol presentation. When anodic stimulation (RA Mode) and cathodic stimulation (SAI Mode) were actually performed on two blind persons, anodic stimulation produced a sharp sensation "like a needle", whereas cathodic stimulation produced " The sensation spreads out. "
INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, any perceptible skin sensation can be presented by selectively stimulating the cutaneous sensory nerve, and can be used as an electrotactile display. Further, by applying the stimulation method according to the present invention to a symbol presenting device, for example, it can be used as a Braille presenting device.

Claims

A tactile presentation method that selectively ignites nerve axons connected to receptors by electrical stimulation from the skin surface, and stimulates only nerve axons extending in the skin depth direction by anodic current from the skin surface A tactile sensation presentation method, characterized in that:

A tactile presentation method that selectively ignites nerve axons connected to receptors by electrical stimulation from the skin surface. And selectively stimulating nerve axons.

The tactile sensation presentation method according to claim 2, wherein the nerve axon extending in the skin depth direction is stimulated by an anodic current.

The tactile presentation method according to claim 2, wherein the nerve axon extending toward the skin surface is stimulated by a cathodic current.

4. The tactile sensation presentation method according to claim 1, wherein the nerve axon extending in the skin depth direction is a nerve axon connected to a Meissner body or a Rufini terminal.

The tactile sensation presentation method according to claim 4, wherein the nerve axon extending toward the skin surface is a nerve axon connected to a Pachinii body or a Merkel cell.

A tactile sensation presentation method for selectively firing nerve axons connected to receptors by electrical stimulation from the skin surface, comprising providing a plurality of unitary or two-dimensional array electrodes on the skin surface and weighting the array electrodes A tactile sensation presentation method characterized in that the stimulation depth is changed by the change to stimulate nerve axons of different depths on the skin surface.

The tactile sensation presentation method according to claim 7, wherein the nerve axon extends in the direction of the skin surface.

A tactile sensation presentation method for selectively firing nerve axons connected to receptors by electrical stimulation from the skin surface, comprising providing a plurality of unitary or two-dimensional array electrodes on the skin surface and weighting the array electrodes The feature is to selectively stimulate nerve axons according to the direction in which the nerve axons extend, and to selectively stimulate nerve axons with different depths to the skin surface by changing the stimulation depth. Tactile presentation method.

The weighting change of the array electrodes includes selecting the positive and negative of the current from the skin surface by selecting the arrangement of the positive and negative electrodes, and selecting the depth decay of the stimulation function. The tactile sensation presentation method according to any one of claims 7, 8, and 9, wherein:

The selected nerve axon is a nerve axon connected to the Meissner body, wherein a center electrode of the array electrode is an anode, and a cathode electrode is provided around the center electrode. 13. The tactile sensation presentation method according to range 10.

The selected nerve axon is a nerve axon connected to Merkel cells, the center electrode of the array electrode is a cathode, and an anode electrode is provided around the center electrode to provide a depth direction of the stimulation function. 11. The tactile sensation presentation method according to claim 10, wherein attenuation of the tactile sense is accelerated.

The selected nerve axon is a nerve axon connected to the Pacini body, the center electrode of the array electrode is a cathode, and a further cathode electrode is provided around the center electrode to increase the depth of the stimulation function. 11. The tactile sensation presentation method according to claim 10, wherein attenuation in the vertical direction is slowed down.

A tactile sensation presentation device for selectively firing nerve axons connected to receptors by electrical stimulation from the skin surface, the device comprising a plurality of array electrodes arranged in a unified or two-dimensional manner on the skin surface. The weight of the array electrode is configured to be selectable, and by changing the weight of the array electrode, the nerve axon is selectively stimulated in accordance with the direction in which the nerve axon extends, and the stimulation depth is set. A tactile sensation presentation device, wherein the tactile presentation device is configured to selectively stimulate nerve axons having different depths with respect to the skin surface by changing.

15. The tactile sensation presentation device according to claim 14, wherein the selection of the weight of the array electrode is performed by selecting the yin and yang of each electrode constituting the array electrode and selecting the arrangement of each electrode.

A symbol presenting method using electrical stimulation from the skin surface, wherein the method presents a nerve axon located in a shallow part of the skin and extending in a depth direction of the skin.

17. The symbol presentation method according to claim 16, wherein the nerve axon is a nerve axon connected to Meissner's body.

17. The method for presenting a symbol according to claim 16, wherein a nerve axon is stimulated by an anodic current.